DE102015210601A1

DE102015210601A1 - Laufrad für eine Pumpe oder Turbine

Info

Publication number: DE102015210601A1
Application number: DE102015210601.2A
Authority: DE
Inventors: Stephan Loehr; Steffen Kress
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2015-06-10
Publication date: 2016-12-15

Abstract

Pumpe oder Turbine (10) mit einem Laufrad (2), einer Welle (1), auf der das Laufrad (2) angeordnet ist, und einem Gehäuse (3), in welchem das Laufrad (2) mit der Welle (1) drehbar gelagert ist, wobei das Laufrad (2) eine Nabe (4) und mehrere sich von der Nabe (4) radial nach außen erstreckende Schaufeln (5) aufweist, wobei am radial äußeren Ende einer jeden Schaufel (5) jeweils ein Adaptionselement (6) befestigt ist, und wobei die Adaptionselemente (6) zumindest an der dem Gehäuse (3) zugewandten Seite aus einem anderen Material bestehen als die Schaufeln (5) und aus einem anderen Material als das Gehäuse (3) und wobei die Adaptionselemente (6) weicher sind als das Gehäuse (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpe oder eine Turbine mit einem Laufrad, einer Welle, auf der das Laufrad angeordnet ist, und einem Gehäuse, in welchem das Laufrad mit der Welle drehbar gelagert ist, wobei das Laufrad eine Nabe und mehrere sich von der Nabe radial nach außen erstreckende Schaufeln aufweist.
Solche Pumpen oder Turbinen sind im Stand der Technik bekannt. Um eine unerwünschte Beschädigung der Pumpe oder Turbine im Betrieb zu vermeiden, ist ein gewisser Spalt zwischen dem radial äußeren Ende der Schaufeln und der Innenwand des Gehäuses einzuhalten. Je größer der Spalt an den Schaufelenden ist, umso größer wird der Wirkungsgradverlust.
Die Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Pumpe oder Turbine bereitzustellen, die einen höheren Wirkungsgrad aufweist, ohne dass die Kosten für die Herstellung besonders ansteigen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei ist am radial äußeren Ende einer jeden Schaufel jeweils ein Adaptionselement befestigt, wobei die Adaptionselemente zumindest an der dem Gehäuse zugewandten Seite aus einem anderen Material bestehen als die Schaufeln und aus einem anderen Material als das Gehäuse und wobei die Adaptionselemente weicher sind als das Gehäuse.
Unter der Eigenschaft „weicher als“ wird hier verstanden, dass das beschriebene Material eine geringere Abrasionsbeständigkeit aufweist als das benannte Vergleichsmaterial, insbesondere dass das Material im direkten schleifenden Kontakt mit dem Vergleichsmaterial stärker und schneller abgerieben wird. Im erfindungsgemäßen Fall heißt das, dass das entsprechende Material der Adaptionselemente im Vergleichstest stärker und schneller abgerieben wird, als das Material des Gehäuses.
Durch die erfindungsgemäß ausgebildeten Adaptionselemente kann der Spalt zwischen den Enden der Schaufeln des Laufrades und der Gehäuseinnenwand zunächst vollständig geschlossen werden. Im Betrieb schleift sich dann die radiale Außenkontur der Adaptionselemente so ein, dass ein minimaler Spalt zum Gehäuse entsteht. Durch diese Ausführung werden die Verluste der Pumpe oder der Turbine signifikant reduziert. Und es können in der Fertigung sogar größere Fertigungstoleranzen als bisher erlaubt werden.
Auch bei gewissen Unterschieden durch Fertigungstoleranzen wird der Spalt dennoch durch die Adaptionselemente zunächst vollständig geschlossen. Das erlaubt die Herstellung von deutlich effizienteren Pumpen oder Turbinen, ohne dass dazu die Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit und damit die Herstellkosten noch weiter erhöht werden müssen.
Zusätzlich kann auch ein weiterer Verzug der Komponenten bei beispielsweise extremen thermischen Bedingungen ohne Schwierigkeiten kompensiert werden. Und bei zu hohem Verschleiß können die Adaptionselemente einfach und kostengünstig ausgetauscht werden. Eine aufwändige Überarbeitung der Schaufeln des Laufrades und besonders der Schaufelenden, wie sonst üblich, ist nicht nötig.
Weitere vorteilhafte Merkmale, die die erfindungsgemäße Ausführung zusätzlich verbessern, finden sich in den Unteransprüchen.
Bevorzugt sind die Nabe und die Schaufeln aus metallischem Werkstoff hergestellt. In solch einem Fall wirkt sich die erfindungsgemäße Ausführung mit Adaptionselementen besonders vorteilhaft aus, da die exakte Bearbeitung der metallischen Teile besonders aufwändig wäre. Alternativ können die Schaufeln beziehungsweise die Nabe auch aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt sein. Auch hier lassen sich die Vorteile der Erfindung nutzbringend umsetzen, da in diesem Falle gewisse fertigungsbedingte Maßabweichungen nicht zu vermeiden sind.
Gleiches gilt für die Welle. Sie kann bevorzugt aus metallischem Werkstoff, aber auch aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt sein. Insbesondere können Welle und Laufrad aus einem Stück gefertigt sein. Alternativ kann das Laufrad auf der Welle montiert werden. Die Schaufeln können einstückig zusammen mit der Nabe hergestellt sein, zum Beispiel, wenn das Laufrad gegossen oder durch Formen oder Pressen erzeugt wird. Andererseits können die Schaufeln auch an der Nabe befestigt werden.
Um die Adaptionselemente möglich einfach zu gestalten, sind sie bevorzugt jeweils komplett, das heißt durchgehend aus einem Material gefertigt. So sind sie gut und kostengünstig herzustellen.
Alternativ können die Adaptionselemente an der dem Gehäuse zugewandten Seite aus einem anderen Material bestehen als an der dem Schaufelende zugewandten Seite. Beispielsweise kann eine Art Kern aus einem Material und die dem Gehäuse zugewandte Seite sowie die restliche Außenfläche aus einem anderen Material hergestellt sein. So lassen sich die Eigenschaften gezielt einstellen. Die dem Gehäuse zugewandte Seite ist weich, um das Einschleifen zu ermöglichen, und die für die Steifigkeit oder die Befestigung an den Schaufeln nötige Strukturfestigkeit kann durch ein festeres Material im Kern erreicht werden.
Als Material für die Adaptionselemente an der dem Gehäuse zugewandten Seite kommt ein vergleichsweise weiches Metall in Frage, insbesondere Messing oder Bronze oder Kupfer oder Aluminium. Auch eine Aluminium-Legierung ist verwendbar. Besonders in Kombination mit einem sehr festen, abrasionsbeständigen Gehäuse aus Metall ist das eine bevorzugte Ausführung. Eine Ausführung mit metallischen Adaptionselementen bietet zudem eine Einsatzmöglichkeit der erfinderischen Lösung auch für heiße Fluide oder sehr raue Umgebungsbedingungen.
Alternativ können die Adaptionselemente zumindest an der dem Gehäuse zugewandten Seite aus Kunststoff bestehen. Durch geeignete Auswahl des Kunststoffs ist eine gute Anpassbarkeit an verschiedene Einsatzbedingungen gegeben. Kunststoff lässt sich leicht bearbeiten und ist günstig in der Herstellung. Der Kunststoff kann ein Thermoplast oder ein Duromer oder ein Elastomer sein.
Insbesondere kann der Kunststoff Fasern, bevorzugt Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern enthalten. Zusätzlich oder auch alternativ kann der Kunststoff Füllstoffe enthalten. Damit lassen sich Abrasions- und Festigkeitseigenschaften für die Adaptionselemente oder spezifisch für die dem Gehäuse zugewandte Seite gezielt einstellen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist das Gehäuse aus einem Kunststoff hergestellt. Dabei muss darauf geachtet werden, dass dieser einen höheren Abrasionswiderstand aufweist, als die Adaptionselemente an der dem Gehäuse zugewandten Seite. Beispielsweise kann das Gehäuse aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt sein, während die Adaptionselemente aus weniger abrasionsbeständigem oder weniger abrasivem Kunststoff sind, etwa aus nicht faserverstärktem Kunststoff.
Andererseits kann das Gehäuse besonders bevorzugt aus Metall hergestellt sein, insbesondere aus Aluminiumdruckguß oder aus einem Eisenwerkstoff, insbesondere aus Stahl oder Stahlguß oder Grauguß. So lässt sich die Pumpe oder Turbine auch im höheren Druckbereich oder bei generell höheren Festigkeitsanforderungen einsetzen. Bei einem Metallgehäuse ist es einfacher ein passendes, weicheres Material für die Adaptionselemente auszuwählen.
Um die Strömungsverhältnisse und damit den Wirkungsgrad der Pumpe oder Turbine möglichst nicht negativ zu beeinflussen, ist es von Vorteil, wenn die Adaptionselemente mit ihrer Kontur im Übergangsbereich von der Schaufel zum Adaptionselement die Kontur der Schaufeln stetig fortsetzen. So ist eine gleichmäßige Strömung auch in diesem Bereich gewährleistet.
Als bevorzugte Varianten für die Befestigung der Adaptionselemente mit der jeweiligen Schaufel kommen Verschrauben oder Verkleben oder Verstiften oder eine formschlüssige Verbindung in Frage. Besonders bevorzugt ist es, wenn sich die Verbindung zum Austauschen wieder gut lösen lässt.
Um eine möglichst gute Ausnutzung der Wirkungsgradsteigerung zu erreichen, ist es vorteilhaft, die Adaptionselemente so auszuführen, dass sie nach der Montage und vor der ersten Inbetriebnahme mit diesen Adaptionselementen mit der Gehäuseinnenwand in Kontakt sind. Dadurch ist sichergestellt, dass der Spalt nach dem Einschleifen nur so groß ist, wie es aufgrund der Gehäuseform unbedingt notwendig ist, und dass sich keine Spalte nur aufgrund von Fertigungstoleranzen ergeben.
Bevorzugt weisen die Adaptionselemente in radialer Richtung eine Länge h zwischen 5 und 50 mm, besonders bevorzugt zwischen 10 und 20 mm auf. Das untere Maß ergibt sich durch die Grenze, so dass die Adaptionselemente noch gut montiert werden können. Das obere Maß durch die Bedingung, dass der Wirkungsgrad umso besser ist, je weiter sich die originale Schaufel mit ihrem strömungstechnisch optimierten Profil radial nach außen erstreckt. Die Schaufel hat zudem auch Festigkeitsvorteile gegenüber den weichen Adaptionselementen. Das heißt die Adaptionselemente sollten nicht größer ausgeführt werden als für ihre Funktion nötig.
Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Ausprägungen der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Die genannten Merkmale können nicht nur in der dargestellten Kombination vorteilhaft umgesetzt werden, sondern auch einzeln untereinander kombiniert werden. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
1 Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführung in Schnittdarstellung
Nachfolgend wird die Figur detaillierter beschrieben. Die Darstellung zeigt nur einen Ausschnitt einer Pumpe oder Turbine 10. Das Laufrad 2 sitzt auf einer Welle 1 und rotiert um eine gedachte Achse 7. Die Welle 1 ist hier als Hohlwelle dargestellt, es kann aber auch genauso gut eine Vollwelle verwendet werden. Ebenso kann eine andere Befestigungsart als die hier dargestellte Presspassung für das Laufrad auf der Welle eingesetzt werden. Das Laufrad 2 hat eine Nabe 4 und daran befestigte Schaufeln 5, die sich radial nach außen erstrecken. Nabe 4 und Schaufeln 5 können allerdings auch aus einem Stück gefertigt sein. Und in einer weiteren Ausführungsform können auch Welle 1 und Laufrad 2 aus einem Stück gefertigt sein.
Das Laufrad 2 ist so gelagert, dass es sich im Pumpen- oder Turbinengehäuse 3 drehen kann. Zwischen den radial äußeren Enden der Schaufeln und der Innenwand des Gehäuses 3 ist ein gewisser Spalt. Dieser Spalt wird durch Adaptionselemente 6, welche an den Schaufelenden befestigt sind, ausgefüllt. Die Adaptionselemente 6 haben eine Länge h in radialer Richtung. Nach der Montage und vor der ersten Inbetriebnahme der Pumpe oder Turbine mit diesen Adaptionselementen 6 befinden sich diese im Kontakt mit der Innenwand des Gehäuses 3. Beim Betrieb schleifen sich nun die Außenseiten der Adaptionselemente 6 entsprechend der Gehäuseform ab, so dass sie eine optimal abdichtende Kontur ausbilden. Dadurch wird ein verbesserter Wirkungsgrad erreicht, ohne dass dazu höhere Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit nötig sind und ohne dass höhere Kosten entstehen. Das Laufrad mit Nabe und Schaufeln besteht aus einem metallischen Werkstoff. In einer bevorzugten Ausführung sind die Adaptionselemente aus einem Kunststoff und das Gehäuse wiederum aus einem metallischen Werkstoff. Die Adaptionselemente können beispielsweise formschlüssig mit dem Ende der jeweiligen Schaufel verbunden sein, etwa über eine axiale Nut mit einer entsprechenden Fixierung. Dadurch können die Adaptionselemente bei Bedarf leicht ausgetauscht werden.
Zur Montage des Laufrades 2 mit den Adaptionselementen 6 im Gehäuse 3 gibt es verschiedene Möglichkeiten. Bei Verwendung von thermoplastischen Adaptionselementen 6 können diese im getrockneten Zustand aufgebracht werden. Im Betrieb mit Wasser dringt dieses in den Kunststoff ein und bringt die Adaptionselemente 6 zum Quellen. So ist für das Schließen des Spaltes im Anfahrbetrieb gesorgt und die passende Kontur schleift sich ein. Eine weitere Möglichkeit für die Montage besteht darin, das Laufrad 2 abzukühlen und kalt einzubauen. Bei der anschließenden Erwärmung dehnt es sich radial wieder aus und sorgt für den Anpressdruck der Adaptionselemente 6 an das Gehäuse 3. Oder die Adaptionselemente 6 werden mit etwas Übermaß gefertigt und aufgebracht und das Laufrad 2 wird mit Pressung im Gehäuse 3 montiert. In jedem Fall schleift sich wieder die passende Kontur an der Außenseite der Adaptionselemente ein, so dass ein nur minimaler Spalt und damit ein erhöhter Wirkungsgrad gewährleistet ist.
Bezugszeichenliste

1: Welle
2: Laufrad
3: Gehäuse
4: Nabe
5: Schaufel
6: Adaptionselement
7: Achse
10: Pumpe oder Turbine (Ausschnitt)
h: Länge der Adaptionselemente in radialer Richtung

Claims

Pumpe oder Turbine (10) mit einem Laufrad (2), einer Welle (1), auf der das Laufrad (2) angeordnet ist, und einem Gehäuse (3), in welchem das Laufrad (2) mit der Welle (1) drehbar gelagert ist, wobei das Laufrad (2) eine Nabe (4) und mehrere sich von der Nabe (4) radial nach außen erstreckende Schaufeln (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass am radial äußeren Ende einer jeden Schaufel (5) jeweils ein Adaptionselement (6) befestigt ist, wobei die Adaptionselemente (6) zumindest an der dem Gehäuse (3) zugewandten Seite aus einem anderen Material bestehen als die Schaufeln (5) und aus einem anderen Material als das Gehäuse (3) und wobei die Adaptionselemente (6) weicher sind als das Gehäuse (3).
Pumpe oder Turbine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Adaptionselemente (6) jeweils komplett aus einem Material gefertigt sind.
Pumpe oder Turbine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Adaptionselemente (6) an der dem Gehäuse (3) zugewandten Seite aus einem anderen Material bestehen als an der dem Schaufelende (5) zugewandten Seite.
Pumpe oder Turbine nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Adaptionselemente (6) zumindest an der dem Gehäuse (3) zugewandten Seite aus einem vergleichsweise weichen Metall bestehen, insbesondere aus Messing oder Bronze oder Kupfer oder Aluminium.
Pumpe oder Turbine nach einem Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Adaptionselemente (6) zumindest an der dem Gehäuse (3) zugewandten Seite aus Kunststoff bestehen.
Pumpe oder Turbine nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff Fasern, insbesondere Kohlenstofffasern, und/oder Füllstoffe enthält.
Pumpe oder Turbine nach einem der Ansprüche 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff ein Thermoplast oder ein Duromer oder ein Elastomer ist.
Pumpe oder Turbine nach einem der Ansprüche 5 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) aus Kunststoff hergestellt ist, bevorzugt aus faserverstärktem Kunststoff, besonders bevorzugt aus CFK (kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff).
Pumpe oder Turbine nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) aus Metall, insbesondere aus Aluminiumdruckguß oder aus einem Eisenwerkstoff, insbesondere aus Stahl oder Stahlguß oder Grauguß, hergestellt ist.
Pumpe oder Turbine nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Adaptionselemente (6) im Übergangsbereich von der Schaufel (5) zum Adaptionselement mit ihrer Kontur die Kontur der jeweiligen Schaufel (5) stetig fortsetzen.
Pumpe oder Turbine nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Adaptionselemente (6) mit der jeweiligen Schaufel (5) verschraubt oder verklebt oder verstiftet oder formschlüssig verbunden sind.
Pumpe oder Turbine nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Adaptionselemente (6) nach der Montage der Adaptionselemente (6) und vor der ersten Inbetriebnahme mit diesen Adaptionselementen (6) mit der Innenwand des Gehäuses (3) in Kontakt sind.
Pumpe oder Turbine nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sich die Adaptionselemente (6) in radialer Richtung über eine Länge h zwischen 5 und 50 mm, bevorzugt zwischen 10 und 20 mm erstrecken.